Металлы и сплавы
Общие сведения
Металлы и их сплавы представляют собой важнейший класс неорганических материалов, всестороннее изучение которых составляет основу металловедения — специализированного раздела материаловедения. В твердом состоянии металлы обладают строго упорядоченным внутренним строением, образуя кристаллические решетки. К основным структурным типам кристаллических решеток металлов относятся гранецентрированная кубическая, объемно-центрированная кубическая и гексагональная. Некоторые металлы способны существовать в нескольких полиморфных модификациях, изменяя тип кристаллической решетки в зависимости от внешних условий.
Процесс перехода металла из расплавленного состояния в твердое называется кристаллизацией. При затвердевании расплавленного чистого металла процесс кристаллизации начинается одновременно во множестве случайных точек объема, которые выступают центрами кристаллизации. От этих центров происходит непрерывный рост кристаллов, которые в конечном итоге соприкасаются друг с другом, деформируясь и приобретая неправильную геометрическую форму. Кристаллы с подобной неправильной формой называются кристаллитами. Вследствие этого механизма макроскопический объем обычного металла всегда является сложным конгломератом кристаллитов, характеризующимся хаотической внутренней микроструктурой. В особых лабораторных или производственных условиях, когда процесс кристаллизации искусственно инициируется исключительно из одной единственной точки, формируется монокристалл. Монокристаллические металлы обладают специфическими механическими характеристиками: они отличаются большей мягкостью по сравнению с поликристаллическими аналогами, обладают высокой пластичностью при деформации растяжения, но специфически реагируют на сжатие.
Классификация
В жидком агрегатном состоянии подавляющее большинство металлов обладает способностью неограниченно растворяться друг в друге. При последующем охлаждении такого расплава образуется твердое вещество — сплав. В зависимости от характера физико-химического взаимодействия компонентов и структурных особенностей, сплавы классифицируются на три основные категории: твердые растворы, механические смеси и химические соединения.
Твердые растворы образуются в системах, где металлы неограниченно растворимы друг в друге не только в жидкой, но и в твердой фазах. Классическим примером подобной системы выступает сплав золота и серебра. В таких сплавах атомы одного компонента равномерно замещают атомы другого в узлах общей кристаллической решетки.
Механические смеси формируются в случаях, когда исходные компоненты неограниченно растворимы в расплаве, однако в твердой фазе взаимная растворимость отсутствует. Главной причиной такого поведения является существенное различие в строении кристаллических решеток исходных металлов (например, сочетание кубической решетки с ромбоэдрической). Характерным представителем данной группы является эвтектический сплав.
Химические соединения металлов выделяются в самостоятельный класс и носят название интерметаллидов. В отличие от механических смесей или растворов, интерметаллиды представляют собой качественно новые химические вещества. Они характеризуются собственными, отличными от исходных компонентов, типами кристаллических решеток и строго определенным стехиометрическим составом.
Способы получения
Способы получения сплавов и исследования их свойств неразрывно связаны с методами металловедения. К фундаментальным методам анализа относятся термический анализ, микроскопическое исследование и рентгеноструктурный анализ.
Термический анализ направлен на установление закономерностей между температурой, временем и фазовым составом системы. Экспериментальной базой метода служит построение кривых охлаждения, отражающих зависимость температуры образца от времени его остывания. Для абсолютно чистого металла кривая охлаждения имеет четкий горизонтальный участок. Это обусловлено тем, что в процессе кристаллизации происходит выделение скрытой теплоты, которая компенсирует отвод тепла в окружающую среду, поддерживая температуру постоянной от начала до конца кристаллизации. При охлаждении сплава, образующего твердый раствор, кристаллизация протекает в интервале температур. Изменение состава жидкой фазы в процессе затвердевания приводит к тому, что на кривой охлаждения горизонтальная площадка отсутствует, а наблюдается лишь изменение угла наклона кривой (замедление скорости охлаждения из-за выделения теплоты).
На основе массива кривых охлаждения для различных концентраций компонентов строятся диаграммы плавкости (фазовые диаграммы). Диаграмма плавкости позволяет визуализировать фазовые состояния сплава при любых соотношениях компонентов и температурах. На диаграмме выделяют линию ликвидуса — температурную границу, выше которой сплав находится исключительно в жидком состоянии, и линию солидуса — границу, ниже которой сплав полностью затвердевает. В области между ликвидусом и солидусом сосуществуют жидкая и твердая фазы. Согласно правилу фаз, в этой двухфазной области число степеней свободы равно единице, что означает невозможность одновременного произвольного изменения и температуры, и состава без изменения числа сосуществующих фаз.
Микроскопический анализ заключается в механическом шлифовании поверхности металлического образца до зеркального блеска с последующим изучением его микроструктуры под микроскопом. Этот метод позволяет визуально идентифицировать наличие отдельных фаз и форму кристаллитов. Рентгеноструктурный анализ применяется для точного определения пространственного расположения атомов, выявления типа кристаллической решетки и измерения межатомных расстояний.
Свойства
Физико-химические свойства сплавов в значительной степени детерминированы их принадлежностью к той или иной классификационной группе. Твердые растворы в полной мере сохраняют типичные металлические свойства: они обладают высокими показателями теплопроводности и электрической проводимости, а также характерным металлическим блеском.
Свойства механических смесей наиболее ярко проявляются в эвтектических сплавах. На диаграмме плавкости таких систем присутствует характерная эвтектическая точка, представляющая собой глобальный минимум температуры плавления для данной системы компонентов. В эвтектической точке жидкая фаза одновременно насыщена обоими компонентами, и при достижении этой температуры весь объем расплава кристаллизуется одномоментно. Образующийся эвтектический сплав представляет собой высокодисперсную механическую смесь кристаллитов обоих компонентов.
Интерметаллиды обладают уникальным комплексом свойств, радикально отличающимся от свойств чистых металлов. Природа химической связи в интерметаллических соединениях носит сложный, смешанный характер, включая металлическую, ковалентную, а в некоторых случаях и ионную составляющие. Это обеспечивает интерметаллидам исключительную химическую стойкость и высокую твердость. На диаграммах плавкости образование химического соединения выражается в виде сингулярного максимума, который можно рассматривать как точку пересечения двух самостоятельных эвтектических систем.
Применение
В современной промышленности и инженерии чистые металлы используются относительно редко, так как их индивидуальные эксплуатационные характеристики зачастую не удовлетворяют комплексным требованиям технологических процессов. Подавляющее большинство конструкционных и функциональных материалов современной техники составляют именно сплавы.
Промышленное применение сплавов обусловлено их способностью синергетически объединять и многократно усиливать желаемые свойства исходных компонентов. Путем сплавления создаются материалы, обладающие выдающейся жаропрочностью, высокой устойчивостью к химической и электрохимической коррозии, а также заданными механическими параметрами. Исторически значимым и до сих пор широко применяемым сплавом является бронза. Эвтектические сплавы активно используются в литейном производстве благодаря низкой температуре плавления и хорошей текучести. Примером служат системы на основе свинца и сурьмы, где точно подобранный эвтектический состав обеспечивает оптимальные технологические характеристики для специализированных применений.
См. также
Методы очистки воды Методы получения материалов высокой чистоты